Mecanizado CNC estilo suizo: Producción de precisión de tornillos y anclajes óseos para ortopedia y odontología

Lograr características precisas y complejas para aplicaciones ortopédicas y dentales

Comparado con muchos otros dispositivos médicos, los tornillos óseos tienen una estructura aparentemente simple: un cilindro roscado con cabeza en un extremo y punta en el otro. Sin embargo, puede haber una complejidad sorprendente en el diseño de tornillos óseos (también llamados anclajes).

Por eso el mecanizado CNC estilo suizo de precisión juega un papel importante en realizar los diseños que dan a los tornillos óseos las características y funcionalidad adecuadas para sus usos finales.

Estructura básica de tornillos óseos

Como el tornillo de madera común, la estructura de un tornillo óseo tiene ciertas características básicas:

• La cabeza es la superficie superior plana que ayuda en la inserción.
• La punta es el otro extremo, opuesto a la cabeza.
• La longitud del vástago (o cuerpo) se mide de cabeza a punta.
• El paso es la distancia recorrida por el tornillo con cada vuelta de 360°.
• El diámetro mayor es el espesor total del tornillo de una cresta de rosca a la opuesta.
• El diámetro menor es el espesor sin incluir roscas. Importante porque el orificio piloto debe tener el mismo tamaño que el diámetro menor.

Por qué se usan tornillos óseos

La función principal es ayudar a reparar fracturas óseas. Típicamente, el tornillo convierte la fuerza del movimiento óseo en compresión que mantiene el hueso en lugar para que cure más rápido.

El uso de tornillos óseos data de principios del siglo XX, cuando el cirujano William O'Neill Sherman pionero la fijación de fracturas usando placas y tornillos convencionales modificados para adherirse a hueso.

Hoy, los tornillos óseos se usan en amplia gama de aplicaciones ortopédicas y ortodónticas. Los tornillos ortopédicos se usanmostly para fijación de hueso o unir tejido blando (tendones) a hueso. En odontología, generalmente sirven como anclajes sobre los que se fija algo más —como un diente de reemplazo.

Como era de esperar, los tornillos óseos modernos son más precisos y especializados que la versión del Dr. Sherman. El mecanizado CNC suizo es el método a menudo usado para producir características precisas que mejoran el método de fijación o capacidad de adherirse a hueso u otro tejido.

Diferentes huesos, diferentes tornillos

En un estudio comparando resistencia de cuatro tornillos óseos comercialmente disponibles con diferentes pasos, el poder de sujeción correlacionaba con densidad del hueso, diseño de roscas y número de roscas engranando el hueso. Dado que diferentes huesos tienen diferentes densidades, el tipo de hueso impacta el diseño del tornillo.

Hueso cortical (compacto) forma la capa externa dura y densa que proporciona estructura y protege órganos internos. Estos huesos lisos, blancos, sólidos constituyen ~80% de la masa corporal adulta.

Hueso cancelloso (esponjoso) forma la red interna de tejido óseo, generalmente en extremos de huesos largos, cerca de articulaciones y dentro de vértebras. Es menos denso, más blando y flexible que el cortical.

Por tanto, el mecanizado CNC suizo puede fabricar tornillos que varían en roscado, paso y otras características según el tipo de hueso:

• Tornillos corticales —también llamados tornillos de corteza— diseñados para sujetar firmemente y dar máxima estabilidad en hueso cortical. Tienen paso pequeño, roscas poco profundas y muy espaciadas a lo largo de toda la longitud, y suelen tener punta roma. Longitudes típicas: 1,5 mm a 4,5 mm.
• Tornillos cancellosos, para fijación de hueso cancelloso, son más largos y tienen paso mayor que los corticales. Roscas más profundas y ampliamente espaciadas; vástago puede ser totalmente roscado o solo parcialmente. Longitudes: 3,5 mm a 6,5 mm.

Otras variables en el diseño de tornillos óseos

Además de variaciones en roscado y paso, los tornillos óseos pueden tener orificios, escalones, ranuras y otras características gracias a la precisión del mecanizado CNC suizo. Diferentes tipos de cabezas:

• Tornillos para anclar dientes pueden tener cabeza cónica sobre la que se prensa un diente de reemplazo.
• Cabeza roscada para bloquear tornillo y su accesorio (placa) en su lugar, mayor estabilidad.
• Cabeza hexagonal común para permitir uso de destornillador.

Los tornillos óseos mecanizados suizos también pueden aprovechar diferentes diseños de punta que soportan distintas técnicas de inserción:

• Tornillos no roscantes tienen punta lisa y redonda; se insertan haciendo orificio piloto y roscando dentro.
• Tornillos autorroscantes tienen flautas de corte para roscar su propia rosca al insertarse en orificio piloto. Como el hueso cancelloso es menos denso, un tornillo cancelloso es autorroscante —corta su camino en el hueso al insertarse.
• Tornillos autoperforantes se insertan tal cual, sin orificio piloto ni preparación. Crean su propio orificio piloto y son también autorroscantes.

Ventajas de diseño de tornillo único

Las empresas de dispositivos médicos pueden crear sus propias variaciones de diseño de tornillo óseo para crear algo único que les diferencie y dé ventaja competitiva.

Además de beneficiar al fabricante de anclajes, un diseño patentable y propietario crea oportunidades —y retos— para el mecanizado CNC estilo suizo de fabricar diseños muy complejos. Por ejemplo, formas más complicadas son perfectas para la técnica de segmentación en mecanizado suizo que permite al taller sofisticado satisfacer necesidades de diseño complejas.

Otro principio —diseñar dispositivos médicos de construcción en una pieza— a menudo hace una pieza más compleja desde el punto de vista del mecanizado. Afrontando este reto, el mecanizado suizo ayuda a lograr diseños de un solo componente que minimizan riesgo de que el dispositivo se desarme o falle por fallo de una de múltiples partes.

Además, diferentes modificaciones superficiales (ver abajo) pueden añadirse a tornillos óseos, post-mecanizado, para impactar positivamente en crecimiento y adhesión ósea, diferenciando aún más un diseño de anclaje de otras opciones.

Consideraciones específicas de material para tornillos óseos

Los tornillos y anclajes para uso ortopédico y dental se fabrican con aleaciones metálicas desde hace más de un siglo. Eso ha dado tiempo para aprender qué materiales entregan la mezcla correcta de alta resistencia, resistencia a corrosión y biocompatibilidad.

Hoy los fabricantes generalmente eligen materiales grado implante que cumplen especificaciones ASTM o ISO. Fabricar tornillos con características y funcionalidad correctas requiere capacidad para mecanizar suizamente amplia gama de materiales, cada uno con características únicas.

Aunque el acero inoxidable es popular en dispositivos médicos y puede usarse para tornillos óseos, las últimas décadas han visto el auge de titanio y variedad de metales especializados elegidos por sus características y ventajas únicas.

Por ejemplo, el titanio —disponible en versiones pura y aleada— se usa cuando el objetivo es ligereza y alta resistencia o cuando un dispositivo necesita acoplarse o conectar con otro componente de titanio. Tornillos de titanio se usan frecuentemente en fracturas mandibulares.

La aleación de titanio Ti-6Al-4V ELI (titanio-6aluminio-4vanadio intersticiales extra bajos) es ligera, resistente a corrosión, fuerte y biocompatible. Controles estrictos durante la fundición resultan en material con ductilidad y resistencia añadidas, haciendo el titanio ELI opción popular y duradera para tornillos óseos y otros dispositivos médicos.

Nitinol (NiTi) a veces se elige por su capacidad para soportar alta tensión sin deformar. Puede usarse donde el tornillo u otro dispositivo necesita estirarse y cambiar ligeramente sin tomar asiento permanente.

Otros materiales de alta resistencia y biocompatibles a menudo usados indistintamente en mecanizado suizo de tornillos y anclajes incluyen:

• MP35N® y similar 35N LT® (bajo titanio), fundición de MP35N con traza de titanio eliminada, dándole mejor vida a fatiga
• L605
• 316LVM
• Elgiloy®, Conichrome® y otras aleaciones especificadas por ASTM F1058 e ISO 5832-7

Tratamiento superficial para promover osteointegración

El acabado superficial es tema muy importante en Metal Cutting. Para tornillos óseos y mecanizado suizo, el tratamiento superficial es tema único.

Aunque algunos tornillos son temporales y eventualmente removidos, la mayoría se colocan para quedarse. Resulta que el acabado superficial del tornillo tiene mucho que ver con promover crecimiento óseo para que el tornillo quede firmemente incrustado y el hueso crezca alrededor.

Mientras científicos siguen desarrollando recubrimientos especiales para promover osteointegración (lea un ejemplo), los fabricantes de tornillos han encontrado que acabados más rugosos y otros tipos de superficies pueden ayudar a promover crecimiento óseo.

La invención del sinterizado láser directo (impresión 3D de metal) permite alcanzar niveles de porosidad antes inalcanzables, yendo más allá de solo acabado rugoso y promoviendo osteointegración. Por eso la fabricación 3D puede ser el futuro de tornillos óseos y muchas otras aplicaciones de dispositivos médicos.

Sin embargo, la mayoría de materiales para tornillos ortopédicos y anclajes dentales no son tratables térmicamente. En su lugar, ganan resistencia del trabajo en frío, que no se puede hacer con impresión 3D de metal.

¡Eso significa que todavía tiene que empezar con varilla o alambre mecanizado suizo antes del sinterizado láser!

Mecanizado suizo vs. impresión láser 3D para tornillos óseos?

Aunque las impresoras 3D de metal dirán que pueden hacerlo todo, el trabajo en frío está entre los retos que deben superar antes de que todas las aplicaciones de tornillos óseos puedan imprimirse en 3D. Hasta entonces, el mecanizado estilo suizo tiene la ventaja de empezar con material de trabajo en frío como barra.

La magia de la impresión 3D es que, como proceso aditivo, puede producir vacíos —algo que, por ligereza y porosidad, es ventaja que el mecanizado suizo no puede igualar. Sin embargo, para roscas, orificios, escalones y otras características cruciales para la función del tornillo, procesos aditivos y sustractivos producen el mismo resultado dimensional final.

Para aprender más sobre atributos y ventajas del torneado CNC estilo suizo para sus dispositivos médicos u otras aplicaciones, descargue nuestra guía gratuita Preguntas frecuentes sobre máquinas suizas.